EP3283891A1 - Mesure sans contact de la conductivité de semi-conducteurs - Google Patents

Mesure sans contact de la conductivité de semi-conducteurs

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EP3283891A1
EP3283891A1 EP16721874.2A EP16721874A EP3283891A1 EP 3283891 A1 EP3283891 A1 EP 3283891A1 EP 16721874 A EP16721874 A EP 16721874A EP 3283891 A1 EP3283891 A1 EP 3283891A1
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EP
European Patent Office
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target
signal
conductivity
frequency
transmitted
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EP16721874.2A
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EP3283891B1 (fr
EP3283891B8 (fr
Inventor
Denis MENCARAGLIA
Yann Le Bihan
Florent LOETE
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
CentraleSupelec
Universite Paris Saclay
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Sud
ECOLE SUPERIEURE D'ELECTRICITE
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Publication date
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Publication of EP3283891B1 publication Critical patent/EP3283891B1/fr
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Publication of EP3283891B8 publication Critical patent/EP3283891B8/fr
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    • H10P74/00—Testing or measuring during manufacture or treatment of wafers, substrates or devices
    • H10P74/20—Testing or measuring during manufacture or treatment of wafers, substrates or devices characterised by the properties tested or measured, e.g. structural or electrical properties
    • H10P74/207—Electrical properties, e.g. testing or measuring of resistance, deep levels or capacitance-voltage characteristics

Definitions

  • the present invention relates to the non-contact measurement of the conductivity of semiconductors.
  • Characterization methods are already commonly known non-contact conductivity ⁇ semi conductors, using an electric signal monofrequency.
  • US 4286215 discloses such a non-contact measurement method of eddy current conductivity.
  • This type of measurement method of the kind in question is analogous to an oscillator using a single-frequency electrical signal.
  • This type of measurement method requires a reference measurement of the conductivity in the dark to then estimate the imbalance under modulated illumination.
  • the maximum sensitivity for the measurement of conductivity, for doping and usual thicknesses of silicon wafers, is around 13 MHz.
  • a system using a mono-frequency signal is therefore only suitable for the characterization of a single type of material, in a range of restricted thickness and conductivity.
  • the present invention aims in particular to overcome these disadvantages.
  • the invention relates to a non-contact measurement method of the semiconductor conductivity, said method being implemented by:
  • a first set comprising a signal transmission / reception system capable of transmit / receive a multi-frequency signal over a frequency range
  • a second set comprising at least one semiconductor target and an inductive element, the semiconductor target being positioned close to the inductive element
  • transmission line being adapted to transmit the signal between the first set and the second set
  • a third set said third set being intended to be connected to the first set, the third set comprising an analysis system, the third set being able to analyze a signal emitted by the first set and a reflected or transmitted signal received by the set; first set and the third set being able to deduce a reflection or transmission coefficient of the transmitted signal, said method comprising at least the following steps:
  • the first set emits a multi-frequency signal
  • the second set reflects or transmits at least a part of the multi-frequency signal emitted by the first set
  • the first set receives the multi-frequency signal reflected or transmitted by the second set
  • the third set calculates the reflection or transmission coefficient of the transmitted signal for the frequency range
  • the third set determines the conductivity of the semiconductor target.
  • Such a measurement method makes it possible in particular to characterize the conductivity of many types of materials by measuring over a wide range of frequencies.
  • Such a method thus makes it possible to characterize a wide range of different conductor semiconductors of different thicknesses, and possibly multi-layer semiconductors.
  • analysis system of the third set uses model connecting the second impedance variation together to the target's conductivity, step e) of the method previously comprising the next steps performed by the third set:
  • the analysis system of the third set uses a model of the electromagnetic interaction between the inductive element and the semiconductor target and a minimization algorithm, step e) of the method being carried out by iterative method according to the following steps:
  • the method is adapted to determine several conductivities simultaneously of a multilayer semiconductor target or for the measurement of several semiconductor targets;
  • the method is adapted to determine the thickness of each of the layers of the semiconductor target multilayer
  • the first set comprises at least one digital-to-analog converter, said converter being adapted to transmit a multi-frequency signal, the first set also comprising an analog-to-digital converter acquisition system, said acquisition system being adapted to receive a multi-frequency signal; - frequency reflected or transmitted;
  • the first set comprises at least one coupling system, said coupling system being adapted to couple the signal transmitted by the digital-to-analog converter in the transmission line, and to couple the signal reflected or transmitted to the analog-digital converter acquisition system; ;
  • the first set comprises at least two coupling systems, a first coupling system being adapted to couple the signal emitted by the digital analog converter in a first transmission line, and a second coupling system being adapted to couple the reflected signal or transmitted in a second transmission line to the digital analog converter acquisition system;
  • the frequency range of the transmitted signal is between 100 kHz and 300 MHz;
  • the frequency range is chosen so that the variations of the reflection or transmission coefficient are maximum for a given variation of conductivity around a particular measurement frequency
  • the method uses a high frequency range to measure low conductivities.
  • the invention also relates to a non-contact measurement device for the semiconductor conductivity characterized in that it comprises:
  • said first set being a signal transmission / reception system capable of transmitting / receiving a multi-frequency signal over a range of frequencies
  • said second set comprising at least one semiconductor target and an inductive element, the semiconductor target being positioned close to the inductive element,
  • transmission line being adapted to transmit the signal between the first set and the second set
  • a third set said third set being intended to be connected to the first set, the third set comprising an analysis system, the third set being able to analyze an emitted signal and a reflected or transmitted signal received by the first set and the third set being able to deduce a coefficient of reflection or transmission of the transmitted signal.
  • the inductive element is printed on a circuit, said circuit being positioned close to the semiconductor target;
  • the inductive element is a coil comprising a an inner radius and an outer radius, and wherein the target extends in a plane perpendicular to a main direction of the inductor element in two dimensions, the inner and outer radii of the inductor element being smaller than the dimensions of the target, even of the order of half of the dimensions of the target.
  • FIG. 1 shows schematically a first embodiment of a conductivity measuring device according to the invention comprising a first set, a second set and a third set connected to the first set;
  • FIG. 2 shows schematically another embodiment of the conductivity measuring device according to the invention comprising a first set, a second set and a third set connected to the first set;
  • FIG. 3 shows schematically another embodiment of the conductivity measuring device according to the invention also comprising a reference assembly connected to the first set;
  • FIG. 4 shows a schematic perspective view of the second set of Figures 1 and 2;
  • FIG. 4A shows a schematic side view of the second set of Figure 4.
  • Figure 4B is a schematic sectional view along the plane IVB-IVB of Figure 4A;
  • FIG. 5 represents the real part and the imaginary part of the impedance variation of the inductive element as a function of the thickness of the target;
  • FIG. 6 represents the real part and the imaginary part of the impedance variation of the inductive element as a function of the conductivity of the target;
  • FIG. 7 represents the real part of the reflection coefficient as a function of the frequency of the transmitted signal and the conductivity of the target.
  • FIG. 8 represents the imaginary part of the reflection coefficient as a function of the frequency of the transmitted signal and the conductivity of the target.
  • the same references designate identical or similar elements.
  • the conductivity of a target semiconductor material ⁇ conductor 4 is measured by transmitting a multi-frequency signal in an inductor element 3 of variable size and shape, for example a coil 3 placed near the target 4.
  • the coil 3 is for example made on a printed circuit inserted in an electronic circuit.
  • the inductor element 3 has a height h3 and extends between a front end 3a and a rear end 3b.
  • front and rear here denotes respectively the end of the inductor element 3 closest to the target 4 and the end farthest from the target 4.
  • several inductive elements 3, in particular coils 3, can be used, each inductor element 3 being adapted for a frequency range ⁇ .
  • the device for conductivity measurement comprises a first set A for transmitting and receiving a multifrequency signal.
  • the measuring device also comprises a second set B comprising the target 4 and an inductive element 3 placed near the target 4.
  • the first set A and the second set B are interconnected by a transmission line 5.
  • the first set A sends a multi-frequency signal X to the second set B along the transmission line 5, and measures the signal reflected or transmitted by the second set B to the first set A along the transmission line. 5.
  • a third set C is connected to the first set A.
  • the transmitted X and received Y signals are analyzed by the third set C.
  • the third set C determines the reflection coefficient p or transmission R (hereinafter referred to as the "Y / X ratio" Of the signal reflected or transmitted Y with respect to the transmitted signal X by the second set B.
  • the conductivity of the target 4 is thus deduced.
  • the first set A comprises a signal generation system 1, in particular based on a digital-analog converter (hereinafter referred to as "DAC").
  • the first set A also comprises an acquisition system 2, in particular based on an analog digital converter (hereinafter called “ADC”).
  • ADC analog digital converter
  • the first set A also includes a coupling system 6 adapted to couple the transmitted signal X by the DAC 1 in the transmission line 5 and couple the received signal Y to the ADC 2.
  • the first set A may comprise a first coupling system 6a and a second coupling system 6b.
  • the first coupling system 6a is adapted to couple the transmitted signal X by the DAC 1 to the transmission line 5.
  • the second coupling system 6b is adapted to couple the transmitted signal Y from the transmission line to the ADC 2.
  • a first transmission line 5a transmits the transmitted signal X from the first set A to the inductor element 3 while a second transmission wire 5b transmits the received signal Y from the second set B, especially from the inductor element 3, to the first set A.
  • the first set may also be connected to a set of reference R. More specifically, the first set A also comprises an additional DAC and a first additional coupling system 6a. Thus, the first set A is also adapted to transmit a signal X2 to the reference set R. In another embodiment, a single DAC 1 may be used to transmit the X and X2 signals. The signal X2 corresponds to the transmitted signal X to the second set B out of phase with a phase P.
  • the reference assembly R comprises an inductor element 3 identical to that of the second set B, in particular as will be described hereinafter. However, unlike the second set B, the set of reference R does not include a target 4.
  • the reference assembly R thus makes it possible to measure the transmitted or reflected signal Y2 by the inductive element 3 when this inductive element 3 is in the absence of the target 4, this is that is to say when the inductive element 3 is surrounded only by air in the vicinity.
  • the inductor element 3 of the reference assembly R may be surrounded by a reference material or be in the vicinity of a reference target.
  • a block subsequently makes it possible to add, and in particular amplify, the signal emitted or reflected Y by the second set B with the emitted or reflected signal Y2 by the reference set R.
  • A an amplification constant.
  • P is preferably equal to n in order to perform a differential amplification between the Y and Y2 signals.
  • the final signal D is then transmitted to the first set A, and in particular to ADC 2.
  • the target semi ⁇ conductor 4 is situated close to the inductor element 3.
  • the target 4 extends in a plane P perpendicular to a main direction Z of the inductor element 3 as illustrated in Figure 4.
  • the target 4 may be circular.
  • the target 4 has a radius r4.
  • the target 4 thus comprises a thickness e along the main direction Z between a first face 4a and a second face 4b.
  • the first face 4a is in particular at a distance 11 of the front end 3a of the inductor element 3 in the main direction Z.
  • the first face 4a is also at a distance 12 from the rear end 3b of the inductor element 3 in the main direction Z.
  • the distances 11, 12 and the height h3 of the inductive element 3 are linked by the relation:
  • the inductor element 3 may be a coil and includes an inner radius r1 and an outer radius r2.
  • the inner and outer radii r1, r2 are for example respectively equal to the radius r4 of the target 4.
  • the inner and outer radii r1, r2 are respectively less than the radius r4 of the target 4.
  • the distances 11, 12 between the faces 4a, 4b of the target 4 and the coil 3 are small in front of the inner and outer radii rl, r2 of the coil 3.
  • a coil 3 having an outer radius r2 of 3cm with 5 turns can be used to measure the conductivity of a target 4 having a radius r4 in the plane P equal to about 3 cm.
  • the number of turns of the coil 3 can in particular be reduced when using higher frequencies.
  • the target 4 may be square or rectangular and extends in the plane P along two dimensions L1, L2.
  • the dimensions L1, L2 of the target 4 are preferably respectively equal to about 10 cm in the plane P.
  • the dimensions L1, L2 are preferably equal to about four times the radius outside r2 of the coil 3.
  • the target 4 and in particular the induced magnetic field Hi (as explained hereinafter), interacts with the inductor element 3.
  • the distance 11 between the target 4 and the inductive element 3 is then, for example, order of 1mm.
  • the transmission line 5 connects the first set A to the second set B.
  • the transmission line 5 has a characteristic impedance Z line adapted to the output impedance of the set A.
  • the transmission line 5 is for example a track on a printed circuit or a coaxial cable or a wire or a two-wire line.
  • the third set C comprises a data analysis system 7, the third set C being able to analyze the data of the transmitted signal X and of the signal reflected or transmitted Y by the second set B.
  • the third set C thus makes it possible to deduce the Y / X ratio of the received signal Y by the second set B with respect to the transmitted signal X, then the conductivity of the target 4.
  • a mult i-frequent signal iel X is transmitted over a frequency range ⁇ by the DAC 1 of the first set A.
  • the signal is for example of the form:
  • N / 2 frequencies are more precisely chosen over a frequency range ⁇ relevant for the characterization of the target 4.
  • the amplitudes ai can be greater than or equal to zero and different in order to weight the transmitted signal X according to the desire of the the user, in particular by attenuating or canceling certain frequencies.
  • Phases ⁇ Pi can be chosen arbitrarily but ideally so as to minimize the crest factor c:
  • Such an emitted signal X simultaneously contains all the frequencies useful for the characterization of the second set B.
  • the minimum duration of the transmitted signal X is fixed by its fundamental frequency f i, plus
  • the periods of the transmitted signal X can be generated continuously or by burst over time.
  • the periods of the received signal Y corresponding can thus possibly be averaged.
  • This also makes it possible to characterize the evolution of the target 4 over time, for example by frequency analysis of the Fast Fourier Transform (FFT) type with sliding window.
  • the transmitted signal X may be a signal whose frequency varies sequentially, for example with a period of time at a first frequency f T i and then a period of time at a second frequency f T 2, or with a frequency fixed over time.
  • the measuring device thus makes it possible to measure the conductivity of the target 4 in different regimes, whether in the continuous mode or in the time dependent regime.
  • the transmitted signal X is coupled via the coupling system 6, in particular the first coupling system 6a, to the transmission line 5 in order to be transmitted to the transmission line 5, in particular to the first transmission line 5a. .
  • the transmitted signal X is thus received by the second set B. More specifically, the inductive element 3 of the second set B is powered by the transmitted signal X.
  • the inductor element 3, in particular the coil 3, then generates an alternating magnetic field H.
  • the target 4 is therefore located in a time-varying magnetic field H.
  • Currents of Foucault 11 schematically shown in Figure 4 are then induced inside the target 4, which behaves as a closed electrical circuit.
  • the impedance variation ⁇ consists of the difference between the target impedance Z of the inductive element 3 in the presence of the target 4, and in particular in the presence of the induced magnetic field Hi, and the air impedance Z of the inductive element 3 in the absence of the target 4, that is to say when the inductive element 3 is surrounded only by air.
  • Z air can in particular be directly measured from the signals X2, Y2 of the reference assembly R of FIG. 3.
  • the impedance variation ⁇ of a coil 3 as described above is more particularly given by the following relation: with r1 and r2 respectively the inner and outer radii of the coil 3. 11, 12 correspond to the distances respectively between the front end 3a and the rear end 3b of the coil 3 with respect to the target 4 along the main direction Z, as described above.
  • A0 expresses the dependence on the properties of the target 4 of the magnetic field in the domain containing the inductor element 3. In particular, A0 varies as a function of the thickness e and the conductivity of the target 4.
  • ⁇ is the magnetic permeability of the empty and ⁇ at a given frequency, ⁇ corresponds to a Bessel function integral.
  • the impedance variation ⁇ ⁇ of the coil 3 thus depends on the conductivity and the thickness e of the target 4 via amplitude AO.
  • An example of a relationship between the impedance variation ⁇ ⁇ and the thickness e of the target 4 is more precisely illustrated in FIG. 5.
  • An example of a relationship between the impedance variation ⁇ ⁇ and the conductivity of the target 4 is more precisely illustrated in Figure 6.
  • the curve in continuous line and the curve in cross respectively correspond to the values of the real part and the imaginary part of the impedance variation ⁇ .
  • the second set B comprising the inductor element 3 and the target 4 reflects or transmits part of the signal to the ADC 2 of the first set A through the transmission line 5.
  • the ADC 2 can thus measure the signal reflected or transmitted Y by the second set B.
  • the reflected or transmitted signal Y is coupled via the coupling system 6, in particular the second coupling system 6b, to the ADC 2.
  • the ADC 2 then transmits the received signal Y to the third set C.
  • the third set C analyzes the transmitted X and received Y signals transmitted by the first set A and determines the Y / X ratio of the second set B over the frequency range ⁇ .
  • the Fourier transform ratio of the received signal Y with respect to transmitted signal X makes it possible to obtain a measurement of this ratio Y / X which corresponds either to a reflection coefficient p or to a transmission coefficient R in frequency:
  • the target impedance Z of the second set B, and in particular of the inductive element 3, is connected to the ratio Y / X, expressed in the plane of a section of the transmission line 5, by the relation:
  • the third set C is now described in more detail.
  • the third set C comprises an analysis system 7.
  • the analysis system 7 uses a model 8 connecting the impedance variation ⁇ of the second set B to the conductivity of the target. 4.
  • the model 8 may in particular be approximated by calibration from a set of known conductivity targets 4 made of different reference materials.
  • the analysis system 7 determines the Y / X ratio from the transmitted signal X and the received signal Y, then determines the impedance variation ⁇ of the second set B.
  • the model 8 then makes it possible, from this variation of impedance ⁇ , to deduce the conductivity of target 4 on the frequency range ⁇ .
  • the analysis system 7 of the third set C uses a model 8 of the electromagnetic interaction between the inducing element 3 and the target 4.
  • the analysis system 7 then also comprises a de minimisation algorithm .
  • the iterative method it is possible to estimate both the conductivity and the thickness e of a semiconductor target by the iterative method. Still alternatively, it is possible to estimate by the iterative method a plurality of parameters of the target 4. It is for example possible to measure the conductivity and / or the thickness of a target 4 comprising a multilayer material and / or inhomogeneous. Indeed, in modifying the frequency of the transmitted signal X towards the second set B, it is possible to modify the penetration thickness of the magnetic field H in the target 4. Thus, the received signal Y is necessarily dependent on the first layer of the target 4, but may not be dependent on all the layers of the target 4. By varying the frequency of the transmitted signal X and thus the depth of penetration of the magnetic field H, it is possible to reconstruct a conductivity profile of the target 4 for different layers of a multilayer material or for different areas of a non-homogeneous material.
  • these two parameters are initially estimated or randomly selected and then transmitted as initial input values in model 8 of the third set C.
  • the Y / X ratio measurements for these two parameters for M different frequencies are then compared to the result of the experimental measurement for these M frequencies.
  • the input values of the model 8, in particular the thickness e and the conductivity, are then modified iteratively via the minimization algorithm until a stop criterion is reached, for example until the difference between the output values of the model 8 and the result of experimental measurements is less than a predefined tolerance.
  • the initial input values of the model 8 can be chosen arbitrarily, including randomly.
  • the model 8 is adapted to converge towards final output values.
  • the final output values of the model 8 then provide an estimate of the thickness e and conductivity parameters of the target 4.
  • a single parameter ie the conductivity
  • this measurement method can be generalized to N parameters to be determined and M to measurement frequencies, with the number of measurement frequencies M greater than or equal to the number N of parameters to be determined. Furthermore, since each measurement frequency M makes it possible to determine the real part and the imaginary part of a signal separately, it can also be possible to determine N parameters if the number of measurement frequencies M is greater than or equal to N / 2 parameters to be determined.
  • the boundary conditions in the model 8 are adapted to the target 4.
  • the complete geometry of the target 4 is in particular taken into account as values of the model 8.
  • the minimum thickness e of the target 4 can be taken into account in the model 8 is, for example less than ⁇ , or even of the order of 10 nm.
  • the distance 11 is also taken into account and compensated in the model 8 to take account of field losses.
  • the term "optimal measurement sensitivity" is understood to mean that the ratio Y / X comprises a real part and / or an imaginary part varying respectively maximum around a particular measurement frequency.
  • the target characterization 4 having a layer (s) of low conductivity and low thickness will be advantageously improved with the use of an emitted signal X having high frequencies.
  • a high conductivity of the target 4 causes a small variation of the Y / X ratio for high frequencies.
  • the frequency range ⁇ can be between 100 kHz to 2 GHz, or even between 100 kHz to 300 MHz.
  • a FPGA Field-Programmable Programmable Logic Controller
  • a fast processor coupled with digital / analogue and analog / digital fast converters can be used to rapidly scan a large frequency range ⁇ .
  • the conductivity of a large number of materials can be estimated by this method, such as silicon, as well as compounds such as CIGS, CdTe, organic materials, new organic materials such as perovskytes, layers such as those based on III-V materials used in multi ⁇ pn functions.
  • the method is used to optimize multi-layer / multi-surface surface treatments.
  • the thickness or thicknesses of the semiconductor materials of the target 4 can be adapted for applications in electronics, in particular in the field of photovoltaics. These thicknesses usually vary from about 50 nm to a few microns for thin-film materials, and from a few tens of microns to a few hundred microns for bulk materials, such as crystalline silicon, for example. Their conductivities can vary from 1CT 3 S. IIT 1 to 10 4 S. m -1 . These conductivity values cover the typical range of conductivities of different types of semi ⁇ conductive materials, particularly those used for photovoltaic, as they are in the form of thin layers, or in the form of self-supporting wafers.
  • the device is for example used for non-destructive testing of target 4 material.
  • the second set B and in particular the target 4 may be used in solution or embedded in ceramics for use in environments with high thermal or chemical stresses since a semiconductor is sensitive to surrounding conditions.
  • the target 4 can be used in a bath chemical.
  • the measuring device makes it possible to measure the conductivity of the target 4 in the dark.
  • a measurement reference in the dark may be used to allow a more sensitive measurement of the conductivity and / or the thickness e of targets 4 comprising one or more poorly photoconductive materials.
  • the measuring device also makes it possible to measure the conductivity when the target 4, and in particular its first surface 4a and / or its second face 4b, is subjected to illumination.
  • the measuring device can thus make it possible to measure conductivity values according to a regime dependent on time. According to this time-dependent regime, the conductivity values to which the target 4 is subjected can be related to the lifetime of the charge carriers of the target 4.
  • the measurement method can thus comprise an FGPA card or a fast processor coupled to digital / analogue and analog / digital fast converters, as described above.
  • an FPGA card makes it possible to obtain a very rapid measurement method making it possible to measure short life times of charge carriers of the target 4 or to be integrated in a measurement chain.
  • a treatment of a surface of the target 4, in particular of the first surface 4a, can be performed to modify the lifetime of the charge carriers of the target 4.

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Abstract

Procédé de mesure sans contact de la conductivité de semi-conducteurs, ledit procédé étant mis en œuvre par: - un premier ensemble (A) comprenant un système d'émission/réception de signal (X, Y) - un deuxième ensemble (B) comprenant au moins une cible semi-conductrice (4) et un élément inducteur ( 3 ), - un troisième ensemble (C), ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes: a) Le premier ensemble (A) émet un signal multi- fréquentiel (X), b) Le deuxième ensemble (B) réfléchi ou transmis au moins une partie du signal multi-fréquentiel émis (X), c) Le premier ensemble (A) reçoit le signal multi- fréquentiel réfléchi (Y) par le deuxième ensemble (B), d) Le troisième ensemble (C) calcule le coefficient de réflexion ou de transmission (p, R) du signal émis (X), e) Le troisième ensemble (C) fournit la conductivité de la cible semi-conductrice (4).

Description

Mesure sans contact de la conductivité de semi¬ conducteurs
La présente invention est relative à la mesure sans contact de la conductivité de semi-conducteurs.
On connaît déjà usuellement des procédés de caractérisâtion sans contact de la conductivité de semi¬ conducteurs, utilisant un signal électrique monofréquentiel .
Par exemple, le document US 4286215 divulgue un tel procédé de mesure sans contact de la conductivité par courant de Foucault . Ce type de procédé de mesure du genre en question est analogue à un oscillateur utilisant un signal électrique mono-fréquence. Ce type de procédé de mesure nécessite d'effectuer une mesure de référence de la conductivité à l'obscurité pour ensuite estimer le déséquilibre sous éclairement modulé. Le maximum de sensibilité concernant la mesure de la conductivité, pour des dopages et des épaisseurs usuelles de plaquettes de silicium, se situe aux alentours de 13 MHz. Un système utilisant un signal mono-fréquentiel n'est donc adapté qu'à la caractérisâtion d'un seul type de matériaux, dans une gamme d'épaisseur et de conductivité restreintes.
La présente invention vise notamment à pallier ces inconvénients . A cet effet, l'invention concerne un procédé de mesure sans contact de la conductivité de semi-conducteurs, ledit procédé étant mis en œuvre par :
- un premier ensemble comprenant un système d'émission/réception de signal apte à émettre/recevoir un signal multi-fréquentiel sur une gamme de fréquences,
- un deuxième ensemble comprenant au moins une cible semi-conductrice et un élément inducteur, la cible semi-conductrice étant positionnée à proximité de l'élément inducteur,
- une ligne de transmission, ladite ligne de transmission étant adaptée pour transmettre le signal entre le premier ensemble et le deuxième ensemble, et
- un troisième ensemble, ledit troisième ensemble étant destiné à être connecté au premier ensemble, le troisième ensemble comprenant un système d'analyse, le troisième ensemble étant apte à analyser un signal émis par le premier ensemble et un signal réfléchi ou transmis reçu par le premier ensemble et le troisième ensemble étant apte à en déduire un coefficient de réflexion ou de transmission du signal émis, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes :
a) Le premier ensemble émet un signal multi- fréquentiel ,
b) Le deuxième ensemble réfléchit ou transmet au moins une partie du signal multi-fréquentiel émis par le premier ensemble,
c) Le premier ensemble reçoit le signal multi- fréquentiel réfléchi ou transmis par le deuxième ensemble,
d) Le troisième ensemble calcule le coefficient de réflexion ou de transmission du signal émis pour la gamme de fréquences,
e) Le troisième ensemble détermine la conductivité de la cible semi-conductrice. Un tel procédé de mesure permet notamment de caractériser la conductivité de nombreux types de matériaux en effectuant des mesures sur une large gamme de fréquences.
Un tel procédé permet ainsi la caractérisât ion d'une large gamme de semi-conducteurs de conduct ivités différentes et d'épaisseurs différentes, et éventuellement de semi-conducteurs mult icouches .
En outre, un tel procédé permet de mesurer la conductivité de matériaux au cours de leur traitement, ce qui est notamment avantageux pour effectuer des contrôles qualités systématiques et par une méthode rapide dans des chaînes de production.
Dans divers modes de réalisation du procédé selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes: le signal émis mult i-fréquent iel est de la forme x(t) = t + ψΐ
avec i qui représente l'indice de la ième fréquence, période d'émission des échantillons, l'amplitude des N/2 fréquences et ψι leurs phases respectives . système d'analyse du troisième ensemble utilise modèle reliant la variation d'impédance deuxième ensemble à la conductivité de la cible, l'étape e) du procédé comprenant préalablement les étapes suivantes réalisées par le troisième ensemble :
el) à partir de la valeur du coefficient de réflexion ou de transmission, déterminer la variation d'impédance du deuxième ensemble sur la gamme de fréquences,
e2) avec le modèle, en déduire la conductivité de la cible à partir de la variation d'impédance du deuxième ensemble ;
le système d'analyse du troisième ensemble utilise un modèle de l'interaction électromagnétique entre l'élément inducteur et la cible semi-conductrice et un algorithme de minimisâtion, l'étape e) du procédé étant effectuée par méthode itérative selon les étapes suivantes :
e'1) à partir de la valeur du coefficient de réflexion ou de transmission, déterminer la variation d'impédance du deuxième ensemble sur la gamme de fréquences,
e'2) fournir une valeur d'entrée initiale de conductivité théorique de la cible dans le modèle, e'3) évaluer à partir du modèle la variation d'impédance du deuxième ensemble théorique pour la gamme de fréquences,
e'4) évaluer la différence entre la variation d'impédance du deuxième ensemble théorique et la variation d'impédance du deuxième ensemble mesurée, e'5) minimiser ladite différence ;
le procédé est adapté pour déterminer plusieurs conductivités simultanément d'une cible semi- conductrice multicouche ou pour la mesure de plusieurs cibles semi-conductrices ;
le procédé est adapté pour déterminer l'épaisseur de chacune des couches de la cible semi-conductrice multicouche ;
- le premier ensemble comprend au moins un convertisseur numérique analogique, ledit convertisseur étant adapté pour émettre un signal multi-fréquentiel , le premier ensemble comprenant également un système d'acquisition convertisseur analogique numérique, ledit système d'acquisition étant adapté pour recevoir un signal multi- fréquentiel réfléchi ou transmis ;
- le premier ensemble comprend au moins un système de couplage, ledit système de couplage étant adapté pour coupler le signal émis par le convertisseur numérique analogique dans la ligne de transmission, et coupler le signal réfléchi ou transmis vers le système d'acquisition convertisseur analogique numérique ;
- le premier ensemble comprend au moins deux systèmes de couplage, un premier système de couplage étant adapté pour coupler le signal émis par le convertisseur numérique analogique dans une première ligne de transmission, et un deuxième système de couplage étant adapté pour coupler le signal réfléchi ou transmis dans une deuxième ligne de transmission vers le système d'acquisition convertisseur analogique numérique ;
- la gamme de fréquence du signal émis est comprise entre 100kHz et 300MHz ;
- la gamme de fréquence est choisie de sorte que les variations du coefficient de réflexion ou de transmission sont maximales pour une variation donnée de conductivité autour d'une fréquence de mesure particulière ; et
- le procédé utilise une gamme de fréquence élevée pour mesurer des conductivités faibles. L'invention concerne également un dispositif de mesure sans contact de la conductivité de semi-conducteur caractérisé en ce qu'il comprend :
- un premier ensemble, ledit premier ensemble étant un système d'émission/réception de signal apte à émettre/recevoir un signal multi- fréquentiel sur une gamme de fréquences,
- un deuxième ensemble, ledit deuxième ensemble comprenant au moins une cible semi-conductrice et un élément inducteur, la cible semi- conductrice étant positionnée à proximité de l'élément inducteur,
- au moins une ligne de transmission, ladite ligne de transmission étant adaptée pour transmettre le signal entre le premier ensemble et le deuxième ensemble,
- un troisième ensemble, ledit troisième ensemble étant destiné à être connecté au premier ensemble, le troisième ensemble comprenant un système d'analyse, le troisième ensemble étant apte à analyser un signal émis et un signal réfléchi ou transmis reçu par le premier ensemble et le troisième ensemble étant apte à en déduire un coefficient de réflexion ou de transmission du signal émis.
Dans divers modes de réalisation du dispositif selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes:
— l'élément inducteur est imprimé sur un circuit, ledit circuit étant positionné à proximité de la cible semi-conductrice ; et
- l'élément inducteur est une bobine comprenant un rayon intérieur et un rayon extérieur, et dans lequel la cible s'étend dans un plan perpendiculaire à une direction principale de l'élément inducteur suivant deux dimensions, les rayons intérieur et extérieur de l'élément inducteur étant inférieurs aux dimensions de la cible, voire de l'ordre de la moitié des dimensions de la cible.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints :
- la figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation d'un dispositif de mesure de conductivité selon l'invention comprenant un premier ensemble, un deuxième ensemble et un troisième ensemble connecté au premier ensemble ;
- la figure 2 représente schématiquement un autre mode de réalisation du dispositif de mesure de conductivité selon l'invention comprenant un premier ensemble, un deuxième ensemble et un troisième ensemble connecté au premier ensemble ;
- la figure 3 représente schématiquement un autre mode de réalisation du dispositif de mesure de conductivité selon l'invention comprenant également un ensemble de référence connecté au premier ensemble ;
- la figure 4 représente une vue schématique en perspective du deuxième ensemble des figures 1 et 2 ;
- la figures 4A représente une vue schématique de côté du deuxième ensemble de la figure 4 ;
- la figure 4B représente une vue schématique en coupe selon le plan IVB-IVB de la figure 4A ;
- la figure 5 représente la partie réelle et la partie imaginaire de la variation d'impédance de l'élément inducteur en fonction de l'épaisseur de la cible ;
- la figure 6 représente la partie réelle et la partie imaginaire de la variation d'impédance de de l'élément inducteur en fonction de la conductivité de la cible ;
la figure 7 représente la partie réelle du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence du signal émis et de la conductivité de la cible ; et
- la figure 8 représente la partie imaginaire du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence du signal émis et de la conductivité de la cible. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires.
La conductivité d'une cible de matériau semi¬ conducteur 4 (appelé par la suite « cible ») est mesurée par la transmission d'un signal multi-fréquentiel dans un élément inducteur 3 de taille et de forme variables, par exemple une bobine 3, placée à proximité de la cible 4. La bobine 3 est par exemple réalisée sur un circuit imprimé inséré dans un circuit électronique. L'élément inducteur 3 a une hauteur h3 et s'étend entre une extrémité avant 3a et une extrémité arrière 3b. Par avant et arrière, on désigne ici respectivement l'extrémité de l'élément inducteur 3 la plus proche de la cible 4 et l'extrémité la plus éloignée de la cible 4. En variante, plusieurs éléments inducteurs 3, notamment des bobines 3, peuvent être utilisées, chaque élément inducteur 3 étant adapté pour une gamme de fréquence Δί .
Comme illustré sur la figure 1, le dispositif de mesure de conductivité comprend un premier ensemble A d'émission-réception d'un signal multifréquences . Le dispositif de mesure comprend également un deuxième ensemble B comprenant la cible 4 et un élément inducteur 3 placé à proximité de la cible 4. Le premier ensemble A et deuxième ensemble B sont reliés entre eux par une ligne de transmission 5.
Le premier ensemble A émet un signal X multi- fréquentiel vers le deuxième ensemble B le long de la ligne de transmission 5, et mesure le signal réfléchi ou transmis Y par le deuxième ensemble B vers le premier ensemble A le long de la ligne de transmission 5. Dans la suite, on désignera également le signal réfléchi ou transmis Y comme étant le signal reçu Y par le premier ensemble A.
Un troisième ensemble C est connecté au premier ensemble A. Les signaux émis X et reçu Y sont analysés par le troisième ensemble C. Le troisième ensemble C détermine le coefficient de réflexion p ou de transmission R (appelé par la suite « rapport Y/X ») du signal réfléchi ou transmis Y par rapport au signal émis X par le deuxième ensemble B . La conductivité de la cible 4 est ainsi déduite.
Plus particulièrement comme illustré sur la figure 1, le premier ensemble A comprend un système de génération de signal 1, notamment basé sur un convertisseur numérique analogique (appelé par la suite « DAC ») . Le premier ensemble A comprend également un système d'acquisition 2, notamment basé sur un convertisseur analogique numérique (appelé par la suite « ADC ») . Le premier ensemble A comprend également un système de couplage 6 adapté pour coupler le signal émis X par le DAC 1 dans la ligne de transmission 5 et coupler le signal reçu Y vers 1 'ADC 2.
En variante, comme illustré sur la figure 2, le premier ensemble A peut comprendre un premier système de couplage 6a et un deuxième système de couplage 6b. Le premier système de couplage 6a est adapté pour coupler le signal émis X par le DAC 1 vers la ligne de transmission 5. Le deuxième système de couplage 6b est adapté pour coupler le signal transmis Y depuis la ligne de transmission vers 1 'ADC 2. Selon cette réalisation, une première ligne de transmission 5a transmet le signal émis X depuis le premier ensemble A à l'élément inducteur 3 tandis qu'un deuxième fil de transmission 5b transmet le signal reçu Y depuis le deuxième ensemble B, notamment depuis l'élément inducteur 3, au premier ensemble A.
Selon une autre variante, comme illustré sur la figure 3, le premier ensemble peut également être connecté à un ensemble de référence R. plus précisément, le premier ensemble A comprend également un DAC la additionnel et un premier système de couplage 6a additionnel. Ainsi, le premier ensemble A est également adapté pour émettre un signal X2 vers l'ensemble de référence R. Dans un autre mode de réalisation, un seul DAC 1 peut être utilisé pour émettre les signaux X et X2. Le signal X2 correspond au signal émis X vers le deuxième ensemble B déphasé d'une phase P.
L'ensemble de référence R comprend un élément inducteur 3 identique à celui de deuxième ensemble B, notamment comme cela sera décrit ci-après. Toutefois, à la différence du deuxième ensemble B, l'ensemble de référence R ne comprend pas de cible 4. L'ensemble de référence R permet ainsi de mesurer le signal transmis ou réfléchi Y2 par l'élément inducteur 3 lorsque cet élément inducteur 3 se trouve en l'absence de la cible 4, c'est- à-dire lorsque l'élément inducteur 3 est uniquement entourée d'air à proximité. En variante, l'élément inducteur 3 de l'ensemble de référence R peut se trouver entouré d'un matériau de référence ou se trouver à proximité d'une cible de référence.
Un bloc permet par la suite d'additionner, et notamment d'amplifier, le signal émis ou réfléchi Y par le deuxième ensemble B avec le signal émis ou réfléchi Y2 par l'ensemble de référence R. On obtient ainsi un signal final D tel que :
D = A * (Y + Y2)
Avec A une constante d'amplification. En particulier, P est de préférence égal à n afin de réaliser une amplification différentielle entre les signaux Y et Y2. Le signal final D est ensuite transmis au premier ensemble A, et notamment vers ADC 2.
Dans le deuxième ensemble B, la cible de semi¬ conducteur 4 est située à proximité de l'élément inducteur 3. En particulier, la cible 4 s'étend dans un plan P perpendiculaire à une direction principale Z de l'élément inducteur 3 comme illustré par la figure 4.
Comme représenté plus en détails sur les figures 4A et 4B, la cible 4 peut être circulaire. Selon cette réalisation, la cible 4 a un rayon r4. La cible 4 comprend ainsi une épaisseur e selon la direction principale Z entre une première face 4a et une deuxième face 4b. La première face 4a est notamment à une distance 11 de l'extrémité avant 3a de l'élément inducteur 3 suivant la direction principale Z. La première face 4a est également à une distance 12 de l'extrémité arrière 3b de l'élément inducteur 3 suivant la direction principale Z. Autrement dit, les distances 11, 12 et la hauteur h3 de l'élément inducteur 3 sont liées par la relation :
h3 = 12-11.
Comme représenté plus en détails sur la figure 4B, l'élément inducteur 3 peut être une bobine et comprend un rayon intérieur rl et un rayon extérieur r2. Les rayons intérieur et extérieur rl, r2 sont par exemple respectivement égaux au rayon r4 de la cible 4. En variante, les rayons intérieur et extérieur rl, r2 sont respectivement inférieurs au rayon r4 de la cible 4. De préférence, les distances 11, 12 entre les faces 4a, 4b de la cible 4 et la bobine 3 sont petites devant les rayons intérieur et extérieur rl, r2 de la bobine 3. A titre d'exemple, pour une gamme de fréquences Δί comprise entre 1MHz et 50MHz, une bobine 3 ayant un rayon extérieur r2 de 3cm avec 5 spires peut être utilisée afin de mesurer la conductivité d'une cible 4 ayant un rayon r4 dans le plan P égale à environ 3 cm. Le nombre de spires de la bobine 3 peut notamment être réduit lors de l'utilisation de fréquences plus élevées.
Selon une autre réalisation représenté sur la figure 4, la cible 4 peut être carrée ou rectangulaire et s'étend dans le plan P selon deux dimensions Ll, L2. Les dimensions Ll, L2 de la cible 4 sont de préférence respectivement égales à environ 10cm dans le plan P. Selon cet autre exemple, les dimensions Ll, L2 sont de préférence égales à environ quatre fois le rayon extérieur r2 de la bobine 3.
De cette façon, la cible 4, et notamment le champ magnétique induit Hi (comme expliqué ci-après), interagit avec l'élément inducteur 3. La distance 11 entre la cible 4 et l'élément inducteur 3 est alors par exemple de l'ordre de 1mm.
La ligne de transmission 5 relie le premier ensemble A au deuxième ensemble B. La ligne de transmission 5 a une impédance caractéristique Zligne adaptée à l'impédance de sortie de l'ensemble A. La ligne de transmission 5 est par exemple une piste sur un circuit imprimé ou un câble coaxial ou un fil ou une ligne bifilaire.
Le troisième ensemble C comprend un système d'analyse des données 7, le troisième ensemble C étant apte à analyser les données du signal émis X et du signal réfléchi ou transmis Y par le deuxième ensemble B. Le troisième ensemble C permet ainsi de déduire le rapport Y/X du signal reçu Y par le deuxième ensemble B par rapport au signal émis X, puis la conductivité de la cible 4. Le fonctionnement du dispositif va maintenant être décrit plus en détails.
Un signal mult i-fréquent iel X est émis sur une gamme de fréquence Δί par le DAC 1 du premier ensemble A. Le signal est par exemple de la forme :
qui est la somme de signaux de N fréquences wi différentes, avec Ai l'amplitude de ces N signaux, et ψι la phase de chacun des signaux. Pour chaque fréquence w±, l'amplitude A peut notamment être supérieure ou égale à zéro . Plus précisément, le signal émis X peut être de la forme : x(t) = Zi=1 aiC0Sfe +
avec i qui représente l'indice de la ième fréquence, Te la période d'émission des échantillons, ai l'amplitude de N/2 fréquences et ψι leurs phases respectives. Les N/2 fréquences sont plus précisément choisies sur une gamme de fréquence Δί pertinente pour la caractérisât ion de la cible 4. Les amplitudes ai peuvent être supérieures ou égales à zéro et différentes afin de pondérer le signal émis X en fonction du souhait de l'utilisateur, notamment en atténuant ou annulant certaines fréquences. Les phases <Pi peuvent être choisies arbitrairement mais idéalement de manière à minimiser le facteur de crête c :
Mpeafc
XRMS
Un tel signal émis X contient simultanément toutes les fréquences utiles à la caractérisât ion du deuxième ensemble B. En particulier, la durée minimale du signal émis X est fixée par sa fréquence fondamentale f i , plus
i
précisément déterminée par f = -^r - Par exemple, si fx = 1MHz, la période Te du signal émis X est de lps .
Il est alors possible de réaliser une mesure de la conductivité de la cible 4 sur un temps très court et d'observer des variations très rapides de la conductivité . Les périodes du signal émis X peuvent être générées de manière continue ou par salve au cours du temps. Les périodes du signal reçu Y correspondant peuvent ainsi éventuellement être moyennées. Ceci permet également de caractériser l'évolution de la cible 4 au cours de temps, par exemple par analyse fréquentielle du type transformation de Fourier rapide (FFT) à fenêtre glissante . En variante, le signal émis X peut être un signal dont la fréquence varie de manière séquentielle, par exemple avec une période de temps à une première fréquence fTi puis une période de temps à une deuxième fréquence fT2, ou avec une fréquence fixe au cours du temps.
Le dispositif de mesure permet donc de mesurer la conductivité de la cible 4 dans différents régimes, que ce soit en régime continu ou en régime dépendant du temps.
Le signal émis X est couplé par l'intermédiaire du système de couplage 6, notamment du premier système de couplage 6a, à la ligne de transmission 5 afin d'être transmis à la ligne de transmission 5, notamment à la première ligne de transmission 5a. Le signal émis X est ainsi reçu par le deuxième ensemble B. Plus précisément, l'élément inducteur 3 du deuxième ensemble B est alimenté par le signal émis X.
Comme illustré à la figure 4, l'élément inducteur 3, notamment la bobine 3, génère alors un champ magnétique alternatif H. La cible 4 se trouve donc dans un champ magnétique H variable dans le temps. Des courants de Foucault 11 schématiquement représentés sur la figure 4 sont alors induits à l'intérieur de la cible 4, qui se comporte comme un circuit électrique fermé.
La cible 4, qui est parcourue par les courants de Foucault 11, engendre un champ magnétique induit H± et une variation d'impédance δζ du deuxième ensemble B. La variation d'impédance δΖ consiste en la différence entre l'impédance Z cible de l'élément inducteur 3 en présence de la cible 4, et notamment en présence du champ magnétique induit Hi , et l'impédance Z air de l'élément inducteur 3 en l'absence de la cible 4, c'est-à-dire lorsque l'élément inducteur 3 est uniquement entourée d'air. Z air peut notamment être directement mesurée à partir des signaux X2, Y2 de l'ensemble de référence R de la figure 3. Ainsi, la variation d'impédance δΖ d'une bobine 3 telle que décrite ci-dessus est plus particulièrement donnée par la relation suivante : avec rl et r2 respectivement les rayons intérieur et extérieur de la bobine 3. 11, 12 correspondent aux distances respectivement entre l'extrémité avant 3a et l'extrémité arrière 3b de la bobine 3 par rapport à la cible 4 suivant la direction principale Z , tel que décrit ci-dessus. A0 traduit la dépendance aux propriétés de la cible 4 du champ magnétique dans le domaine contenant l'élément inducteur 3. En particulier, A0 varie en fonction de l'épaisseur e et de la conductivité de la cible 4. μθ est la perméabilité magnétique du vide et ω à une fréquence donnée, χ correspond à une intégrale de fonction de Bessel. A une fréquence et à une distance 11 entre l'élément inducteur 3 et la cible 4 donnée, la variation d'impédance δ ζ de la bobine 3 dépend donc de la conductivité et de l'épaisseur e de la cible 4 par l'intermédiaire de l'amplitude AO . Un exemple de relation entre la variation d'impédance δ Ζ et l'épaisseur e de la cible 4 est plus précisément illustré à la figure 5. Un exemple de relation entre la variation d'impédance δ Ζ et la conductivité de la cible 4 est plus précisément illustré à la figure 6. Sur ces deux figures 5 et 6, la courbe en trait continue et la courbe en croix correspondent respectivement aux valeurs de la partie réelle et de la partie imaginaire de la variation d'impédance δΖ. Ces exemples des figures 5 et 6 sont donnés à titre purement illustratif et non limitatif.
Du fait de cette variation d'impédance δ ζ , le deuxième ensemble B comprenant l'élément inducteur 3 et la cible 4 réfléchit ou transmet ainsi une partie du signal vers l'ADC 2 du premier ensemble A à travers la ligne de transmission 5.
L'ADC 2 peut ainsi mesurer le signal réfléchi ou transmis Y par le deuxième ensemble B. En particulier, le signal réfléchi ou transmis Y est couplé par l'intermédiaire du système de couplage 6, notamment du deuxième système de couplage 6b, à l'ADC 2.
L'ADC 2 transmet alors le signal reçu Y au troisième ensemble C. Le troisième ensemble C analyse les signaux émis X et reçu Y transmis par le premier ensemble A et détermine le rapport Y/X du deuxième ensemble B sur la gamme de fréquences Δί . En particulier, le rapport de transformée de Fourier du signal reçu Y par rapport au signal émis X permet d'obtenir une mesure de ce rapport Y/X qui correspond soit à un coefficient de réflexion p, soit à un coefficient de transmission R en fréquence :
p, R = Y/X
L'impédance Z cible du deuxième ensemble B, et notamment de l'élément inducteur 3, est reliée au rapport Y/X, exprimé dans le plan d'une section de la ligne de transmission 5, par la relation :
p = ( cibie - Z iigne ) / ( Z cibie + Z iigne ) en réflexion
R = 2 Z cibie / ( Z cibie + Z iigne ) en transmission
avec Z ugne qui désigne l'impédance de la ligne de transmission 5 et Z cibie l'impédance de l'élément inducteur 3. Il est ainsi possible à partir du rapport Y/X de déterminer la variation d'impédance δΖ du deuxième ensemble B, et inversement.
On décrit maintenant plus en détails le troisième ensemble C.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le troisième ensemble C comprend un système d'analyse 7. Le système d'analyse 7 utilise un modèle 8 reliant la variation d'impédance δΖ du deuxième ensemble B à la conductivité de la cible 4. Le modèle 8 peut notamment être approximée par étalonnage à partir d'un ensemble de cibles 4 de conductivité connues, constituées de différents matériaux de référence. Le système d'analyse 7 détermine le rapport Y/X à partir du signal émis X et du signal reçu Y, puis détermine la variation d'impédance δΖ du deuxième ensemble B. Le modèle 8 permet ensuite, à partir de cette variation d'impédance δΖ, de déduire la conductivité de la cible 4 sur la gamme de fréquence Δί .
Dans un second mode de réalisation, le système d'analyse 7 du troisième ensemble C utilise un modèle 8 de l'interaction électromagnétique entre l'élément inducteur 3 et la cible 4. Le système d'analyse 7 comprend alors également un algorithme de minimisâtion .
Ainsi, une valeur théorique d'entrée initiale de la conductivité de la cible 4 est transmise dans le modèle 8, de sorte qu'une variation d'impédance théorique est déduite à différentes fréquences de la gamme de fréquence Δί . Ces valeurs théoriques de la variation d'impédance sont comparées aux valeurs expérimentales mesurées de la variation d'impédance δΖ déterminées par le système d'analyse 7 sur la même gamme de fréquence Δί. La différence est calculée et la valeur d'entrée de conductivité du modèle 8 est ajustée de proche en proche par itération pour minimiser cette différence. La conductivité de la cible semi-conductrice 4 est ainsi déterminée. Cet ajustement itératif peut également être réalisé en comparant des valeurs des rapports Y/X expérimentales avec des valeurs de rapport Y/X théoriques .
En variante dans ce second mode de réalisation, on peut estimer à la fois la conductivité et l'épaisseur e d'une cible semi-conductrice par la méthode itérative. Toujours en variante, on peut estimer par la méthode itérative une pluralité de paramètres de la cible 4. Il est par exemple possible de mesurer la/les conductivités et/ou la/les épaisseurs d'une cible 4 comprenant un matériau multicouches et/ou non homogène. En effet, en modifiant la fréquence du signal émis X vers le deuxième ensemble B, il est possible de modifier l'épaisseur de pénétration du champ magnétique H dans la cible 4. Ainsi, le signal reçu Y est nécessairement dépendant de la première couche de la cible 4, mais peut ne pas être dépendant de toutes les couches de la cible 4. En faisant varier la fréquence du signal émis X et donc la profondeur de pénétration du champ magnétique H, il est possible de reconstruire un profil de conductivité de la cible 4 pour différentes couches d'un matériau multicouches ou pour différentes zones d'un matériau non homogène .
Toujours selon ce second mode de réalisation, dans le cas par exemple d'une cible 4 monocouche dont on souhaite déterminer l'épaisseur e et la conductivité, ces deux paramètres sont initialement estimés ou sélectionnés aléatoirement, puis transmis comme valeurs d'entrée initiales dans le modèle 8 du troisième ensemble C. Les mesures du rapport Y/X pour ces deux paramètres pour M fréquences différentes sont alors comparées au résultat de la mesure expérimentale pour ces M fréquences.
Les valeurs d'entrée du modèle 8, notamment l'épaisseur e et la conductivité, sont alors modifiées de manière itérative via l'algorithme de minimisation jusqu'à l'atteinte d'un critère d'arrêt, par exemple jusqu'à ce que l'écart entre les valeurs de sortie du modèle 8 et le résultat de mesures expérimentales soit inférieur à une tolérance prédéfinie.
Les valeurs d'entrée initiales du modèle 8 peuvent être choisies arbitrairement, notamment aléatoirement. En particulier, le modèle 8 est adapté pour converger vers des valeurs de sortie finales. Les valeurs de sortie finales du modèle 8 fournissent alors une estimation des paramètres épaisseur e et conductivité de la cible 4. En particulier, dans le cas où la cible 4 est monocouche et d'épaisseur e connue, la situation est identique, un seul paramètre, à savoir la conductivité, étant à déterminer.
De façon générale, ce procédé de mesure peut être généralisé à N paramètres à déterminer et M fréquences de mesures, avec le nombre de fréquences de mesure M supérieur ou égal au nombre N de paramètres à déterminer. En outre, étant donné que chaque fréquence de mesure M permet de déterminer distinctement la partie réelle et la partie imaginaire d'un signal, il peut être également possible de déterminer N paramètres si le nombre de fréquences de mesure M est supérieur ou égal à N/2 paramètres à déterminer.
Les conditions aux limites dans le modèle 8 sont adaptées à la cible 4. La géométrie complète de la cible 4 est en particulier prise en compte comme valeurs du modèle 8. L'épaisseur e minimale de la cible 4 pouvant être prise en compte dans le modèle 8 est, par exemple inférieur à Ιμιη, voire de l'ordre de lOnm. La distance 11 est également prise en compte et compensé dans le modèle 8 pour tenir compte des pertes de champ.
Dans ce second mode de réalisation, on peut également envisager de mesurer plusieurs cibles 4 à la fois. En variante une cible 4 peut être testée par zones, en plusieurs fois.
Comme illustré sur les figures 7 et 8, pour une conductivité et une épaisseur e donnée d'une cible 4, il existe une gamme de fréquence Δί dans laquelle la sensibilité de mesure est optimale. En particulier, par « sensibilité de mesure optimale », on entend que le rapport Y/X comprend une partie réelle et/ou une partie imaginaire variant respectivement de façon maximale autour d'une fréquence de mesure particulière.
A chaque conductivité de couche de la cible 4 à mesurer, il existe donc une gamme de fréquence Δί, notamment autour de la fréquence de mesure particulière, dans laquelle la sensibilité de mesure est maximale.
Plus la conductivité de la cible 4 est faible, plus il est nécessaire d'utiliser un signal émis X ayant des fréquences élevées pour obtenir une sensibilité de mesure optimale. Ainsi, la caractérisâtion de cible 4 comportant une/des couche (s) de faible conductivité et de faible épaisseur sera avantageusement améliorée avec l'utilisation d'un signal émis X ayant des fréquences élevées. De plus, une conductivité élevée de la cible 4 entraine une faible variation du rapport Y/X pour des fréquences élevées.
La gamme de fréquences Δί peut être comprise entre 100kHz à 2 GHz, voire comprise entre 100kHz à 300MHz. Une carte circuit logique programmable (« field-programmable gâte array » FPGA) ou un processeur rapide couplé à des convertisseurs numérique/analogique et analogique/numérique rapide peuvent être utilisés pour balayer rapidement une grande gamme de fréquence Δί .
La conductivité d'un grand nombre de matériaux peut être estimée par cette méthode, tels que le silicium, ainsi que des composés comme le CIGS, le CdTe, des matériaux organiques, de nouveaux matériaux organiques tels que des perovskytes, des couches telles que celles à base de matériaux III-V utilisées dans des multi¬ fonctions p-n. En variante, le procédé est utilisé pour optimiser des traitements de surface de multi- couches/multi- onctions .
La ou les épaisseurs des matériaux semi-conducteurs de la cible 4 peuvent être adapté pour des applications en électronique, en particulier dans le domaine du photovoltaïque. Ces épaisseurs varient usuellement d'environ 50nm à quelques micromètres pour des matériaux en couches minces, et de quelques dizaines de micromètres à quelques centaines de micromètres pour des matériaux massifs, comme le silicium cristallin par exemple. Leurs conductivités peuvent varier de 1CT3 S . IÎT1 à 104 S . m-1. Ces valeurs de conductivité recouvrent la gamme typique de conductivités des différents types de matériaux semi¬ conducteurs, en particulier ceux utilisés pour le photovoltaïque, selon qu'ils se présentent sous forme de couches minces, ou sous forme de plaquettes autosupportées .
Le dispositif est par exemple utilisé pour le contrôle non destructif de matériau de la cible 4.
En variante, le deuxième ensemble B, et notamment la cible 4, peut être utilisé en solution ou noyé dans de la céramique pour être utilisé dans des environnements sous fortes contraintes thermiques ou chimiques puisqu'un semi-conducteur est sensible aux conditions environnantes . variante, la cible 4 peut être utilisée en bain chimique .
Le dispositif de mesure permet de mesurer la conductivité de la cible 4 dans l'obscurité. Une référence de mesure à l'obscurité peut notamment être utilisée pour permettre une mesure plus sensible de la conductivité et/ou de l'épaisseur e de cibles 4 comportant un ou plusieurs matériaux peu photoconducteurs .
Le dispositif de mesure permet également de mesurer la conductivité lorsque la cible 4, et notamment sa première surface 4a et/ou sa deuxième face 4b, est soumise à un éclairement . Dans le cas où la cible 4 est utilisée sous éclairement, le dispositif de mesure peut ainsi permettre de mesurer des valeurs de conductivité selon un régime dépendant du temps. Selon ce régime dépendant du temps, les valeurs de conductivité auquel est soumise la cible 4 peuvent être reliées à la durée de vie des porteurs de charge de la cible 4.
Il est alors nécessaire que le procédé et le dispositif de mesure soit suffisamment rapide afin de détecter la durée de vie des porteurs de charges en régime dépendant du temps. Selon cette réalisation, le procédé de mesure peut ainsi comprendre une carte FGPA ou un processeur rapide couplé à des convertisseurs numérique/analogique et analogique/numérique rapide, comme décrits ci-dessus. Une carte FPGA permet notamment d'obtenir un procédé de mesure très rapide permettant de mesurer des temps de vie courts de porteurs de charge de la cible 4 ou d'être intégrée à une chaîne de mesure.
Ainsi, il est possible de combiner lors du procédé de mesure, l'émission d'un signal X tel que décrit ci- dessus avec un éclairement de la cible 4. Une telle combinaison permet notamment d'augmenter la sensibilité de la mesure de la conductivité de la cible 4, notamment pour une cible 4 multicouche.
En outre, un traitement d'une surface de la cible 4, notamment de la première surface 4a, peut être réalisé pour modifier le temps de vie des porteurs de charge de la cible 4.
Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement du dispositif et/ou du procédé décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de mesure sans contact de la conductivité de semi-conducteurs, ledit procédé étant mis en œuvre par :
- un premier ensemble (A) comprenant un système d'émission/réception de signal (X, Y) apte à émettre/recevoir un signal (X, Y) multi- fréquentiel sur une gamme de fréquences (Δί ) ,
- un deuxième ensemble (B) comprenant au moins une cible semi-conductrice (4) et un élément inducteur (3), la cible semi-conductrice (4) étant positionnée à proximité de l'élément inducteur ( 3 ) ,
- une ligne de transmission (5), ladite ligne de transmission (5) étant adaptée pour transmettre le signal (X, Y) entre le premier ensemble (A) et le deuxième ensemble (B) , et
- un troisième ensemble (C) , ledit troisième ensemble (C) étant destiné à être connecté au premier ensemble (A) , le troisième ensemble (C) comprenant un système d'analyse (7), le troisième ensemble (C) étant apte à analyser un signal émis (X) par le premier ensemble (A) et un signal réfléchi ou transmis (Y) reçu par le premier ensemble (A) et le troisième ensemble (C) étant apte à en déduire un coefficient de réflexion ou de transmission (p, R) du signal émis (X) ,
ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes :
a) Le premier ensemble (A) émet un signal multi- fréquentiel (X) ,
b) Le deuxième ensemble (B) réfléchit ou transmet au moins une partie du signal multi-fréquentiel émis (X) par le premier ensemble (A) ,
c) Le premier ensemble (A) reçoit le signal multi- fréquentiel réfléchi ou transmis (Y) par le deuxième ensemble (B) ,
d) Le troisième ensemble (C) calcule le coefficient de réflexion ou de transmission (p, R) du signal émis (X) pour la gamme de fréquences (Δί ) ,
e) Le troisième ensemble (C) détermine la conductivité de la cible semi-conductrice (4) .
2. Procédé de mesure sans contact selon la revendication précédente, dans lequel le signal émis (X) multi-fréquentiel est de la forme :
avec i qui représente l'indice de la ième fréquence, Te la période d'émission des échantillons, ai l'amplitude de N/2 fréquences et ψι leurs phases respectives .
3. Procédé de mesure sans contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système d'analyse (7) du troisième ensemble (C) utilise un modèle (8) reliant la variation d'impédance (δΖ) du deuxième ensemble (B) à la conductivité de la cible (4), l'étape e) du procédé comprenant préalablement les étapes suivantes réalisées par le troisième ensemble (C) : el) à partir de la valeur du coefficient de réflexion ou de transmission (p, R) , déterminer la variation d'impédance (δΖ) du deuxième ensemble (B) sur la gamme de fréquences (Δί ) , e2) avec le modèle (8), en déduire la conductivité de la cible à partir de la variation d'impédance (δΖ) du deuxième ensemble (B) .
Procédé de mesure sans contact selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le système d'analyse (7) du troisième ensemble (C) utilise un modèle (8) de l'interaction électromagnétique entre l'élément inducteur (3) et la cible semi-conductrice (4) et un algorithme de minimisâtion, l'étape e) du procédé étant effectuée par méthode itérative selon les étapes suivantes :
e'1) à partir de la valeur du coefficient de réflexion ou de transmission (p, R) , déterminer la variation d'impédance (δΖ) du deuxième ensemble (B) sur la gamme de fréquences (Δί ) ,
e'2) fournir une valeur d'entrée initiale de conductivité théorique de la cible (4) dans le modèle ( 8 ) ,
e'3) évaluer à partir du modèle (8) la variation d'impédance (δΖ) du deuxième ensemble (B) théorique pour la gamme de fréquences (Δί ) ,
e'4) évaluer la différence entre la variation d'impédance (δΖ) du deuxième ensemble (B) théorique et la variation d'impédance (δΖ) du deuxième ensemble (B) mesurée,
e'5) minimiser ladite différence.
Procédé de mesure sans contact selon la revendication 4, adapté pour déterminer plusieurs conductivités simultanément d'une cible semi- conductrice (4) multicouche ou pour la mesure de plusieurs cibles semi-conductrices (4).
Procédé de mesure sans contact selon la revendication 5, adapté pour déterminer l'épaisseur (e) de chacune des couches de la cible semi- conductrice (4) multicouche.
Procédé de mesure sans contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier ensemble (A) comprend au moins un convertisseur numérique analogique (1), ledit convertisseur étant adapté pour émettre le signal multi-fréquentiel (X) , le premier ensemble (A) comprenant également un système d'acquisition convertisseur analogique numérique (2), ledit système d'acquisition (2) étant adapté pour recevoir le signal multi-fréquentiel réfléchi ou transmis (Y) ·
Procédé de mesure sans contact selon la revendication 7, dans lequel le premier ensemble (A) comprend au moins un système de couplage (6), ledit système de couplage (6) étant adapté pour coupler le signal émis (X) par le convertisseur numérique analogique (1) dans la ligne de transmission (5), et coupler le signal réfléchi ou transmis (Y) vers le système d'acquisition convertisseur analogique numérique ( 2 ) .
Procédé de mesure sans contact selon la revendication 7, dans lequel le premier ensemble (A) comprend au moins deux systèmes de couplage (6), un premier système de couplage (6a) étant adapté pour coupler le signal émis (X) par le convertisseur numérique analogique (1) dans une première ligne de transmission (5a), et un deuxième système de couplage (6b) étant adapté pour coupler le signal réfléchi ou transmis (Y) dans une deuxième ligne de transmission (5b) vers le système d'acquisition convertisseur analogique numérique (2) .
10. Procédé de mesure sans contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la gamme de fréquence (Δί) du signal émis (X) est comprise entre 100kHz et 300MHz.
11. Procédé de mesure sans contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la gamme de fréquence (Δί) est choisie de sorte que les variations du coefficient de réflexion ou de transmission (p, R) sont maximales pour une variation donnée de conductivité autour d'une fréquence de mesure particulière.
12. Procédé de mesure sans contact selon l'une quelconque des revendications précédentes, utilisant une gamme de fréquence (Δί) élevée pour mesurer des conductivités faibles.
13. Dispositif de mesure sans contact de la conductivité de semi-conducteur caractérisé en ce qu'il comprend :
- un premier ensemble (A) , ledit premier ensemble (A) étant un système d'émission/réception de signal (X, Y) apte à émettre/recevoir un signal (X, Y) multi-fréquentiel sur une gamme de fréquences (Δί ) ,
- un deuxième ensemble (B) , ledit deuxième ensemble (B) comprenant au moins une cible semi-conductrice (4) et un élément inducteur (3), la cible semi-conductrice (4) étant positionnée à proximité de l'élément inducteur (3) ,
- au moins une ligne de transmission (5), ladite ligne de transmission (5) étant adaptée pour transmettre le signal (X, Y) entre le premier ensemble (A) et le deuxième ensemble (B) ,
- un troisième ensemble (C) , ledit troisième ensemble (C) étant destiné à être connecté au premier ensemble (A) , le troisième ensemble (C) comprenant un système d'analyse (7), le troisième ensemble (C) étant apte à analyser un signal émis (X) et un signal réfléchi ou transmis (Y) reçu par le premier ensemble (A) et le troisième ensemble (C) étant apte à en déduire un coefficient de réflexion ou de transmission (p, R) du signal émis (X) .
14. Dispositif de mesure sans contact selon la revendication 13, dans lequel l'élément inducteur
(3) est imprimé sur un circuit, ledit circuit étant positionné à proximité de la cible semi-conductrice
(4) .
15. Dispositif de mesure sans contact selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, dans lequel l'élément inducteur (3) est une bobine comprenant un rayon intérieur (rl) et un rayon extérieur (r2), et dans lequel la cible semi-conductrice (4) s'étend dans un plan (P) perpendiculaire à une direction principale (Z) de l'élément inducteur (3) suivant deux dimensions (Ll, L2), les rayons intérieur et extérieur (rl, r2) de l'élément inducteur (3) étant inférieurs aux dimensions (Ll, L2) de la cible semi- conductrice (4), voire de l'ordre de la moitié des dimensions (Ll, L2) de la cible (4) .
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